EP1756537A1 - Temperaturfühler und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Temperaturfühler und verfahren zu dessen herstellung

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EP1756537A1
EP1756537A1 EP05754316A EP05754316A EP1756537A1 EP 1756537 A1 EP1756537 A1 EP 1756537A1 EP 05754316 A EP05754316 A EP 05754316A EP 05754316 A EP05754316 A EP 05754316A EP 1756537 A1 EP1756537 A1 EP 1756537A1
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EP
European Patent Office
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temperature sensor
sensor structure
insulating layer
substrate
sensor
Prior art date
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EP05754316A
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English (en)
French (fr)
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EP1756537B1 (de
Inventor
Georg Bernitz
Heinrich Zitzmann
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BERNITZ, GEORG
ZITZMANN, HEINRICH
Original Assignee
Individual
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Publication of EP1756537A1 publication Critical patent/EP1756537A1/de
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Publication of EP1756537B1 publication Critical patent/EP1756537B1/de
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/186—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer using microstructures

Definitions

  • the present invention relates to a tempera ture sensor and to a method for its production, and in particular to a temperature sensor, preferably a platinum temperature sensor, with space-saving devisan- conclusions and a method for producing such a temperature sensor.
  • Ceramic substrate is embedded and the one positive
  • Resistance temperature coefficient two first lines which are connected to the resistance sensor and the power supply, two second lines which are connected to the resistance sensor, the voltage drop at the resistance sensor can be detected by means of the two second lines, and a voltage divider Resistor, which is connected between the two second lines and parallel to the resistance sensor, wherein the output signal voltage of the temperature sensor is present as Clausspan ⁇ tion of the voltage divider resistor, and further arranged two pads on the surface of the ceramic substrate and with one of the two second lines or the voltage divider resistor is connected.
  • DE 10232380 A1 describes a sensor with wire connection and a method for producing a sensor with wire connection, wherein the sensor has a first insulation layer, a second insulation layer with an opening, a plurality of metal conductor tracks and a multiplicity of Electrodes, wherein each metal trace comprises a contact region and is arranged between the first and the second insulating layer, and further wherein each electrode comprises a connection region, which is arranged separately from the contact region and further wherein the electrodes through the openings in electrical connection stand with the contact areas.
  • DE 3733192 C1 describes a PTC temperature sensor and a method for producing a PTC temperature sensor element for the PTC temperature sensor, wherein the PTC temperature sensor has two ceramic films and is designed such that the PTC resistance path hermetically sealed against the measurement gas and the ambient air and further wherein the PTC resistance path is connected to the contact surfaces on the other side of the film by two punched via holes.
  • FIGS. 1 and 2 a conventional method for producing a platinum sensor according to an approach, as is known in the prior art, is explained in more detail below.
  • the parts of the figures A each show plan views of the temperature sensor and the parts of the figures B each show side views.
  • Such sensors are known in DE 10020932 C1.
  • a sensor structure 12 preferably a meander-shaped platinum resistance track
  • the resistance track 12 has a first end 12a and a second end 12b.
  • a first contact surface 14 and a second contact surface 16 are disposed on the substrate 10, wherein the first contact surface 14 is connected to the first end 12a of the resistive track 12 and the second contact surface 16 to the second end 12b of the abutment ⁇ stand track 12 is connected ,
  • a first lead wire 18 is attached to the first contact surface 14 and a second lead wire 20 is attached to the second contact surface 16.
  • a protective layer 22 is preferably applied over the resistor track 12 (see FIG. 2B).
  • the connecting wires 18, 20 are furthermore preferably additionally fixed by means of a glaze 24, which also partly covers the cover 22.
  • Fig. 3 also shows a conventional temperature sensor in which the temperature sensing element is of the SMD type.
  • the resistance path 12 is arranged on the substrate 10 such that the respective ends 12a and 12b of the resistance path 12 are arranged adjacent to Delta ⁇ set ends of the substrate 10, to which also the contact surfaces 14 and 16 are arranged. Similar to FIGS. 1 and 2, it may also be provided here to cover the resistance path 12 by a protective layer 22 (see FIG. 3B).
  • the temperature sensors described with reference to FIGS. 1 to 3 are for years, as mentioned, produced in different embodiments and used for precise temperature measuring tasks.
  • the typical structure of these sensor elements, as described with reference to FIGS. 1 to 3, comprises an Al 2 O 3 ceramic substrate 10, on which a platinum film 12 of approximately 1 ⁇ m thickness is applied.
  • the platinum film is further structured so that the resistance path z. B. has a resistance of the order of 100 ohms.
  • This platinum resistance sheet 12 is usually protected by the protective layer 22 (eg, a glaze layer).
  • the connecting wires 18, 20 are welded to the two contact surfaces 14, 16, which are additionally provided with the glaze drip 24 in order to permit a mechanical loading of the connecting wires 18, 20 during further processing.
  • both the resistance structure and the contact zone for the attachment of connecting wires or in SMD components " or SMD-like embodiments, the contact zone or the contact pads in the same plane, namely on the substrate surface, as this 1 to 3.
  • the contact zone or the contact pads in the same plane, namely on the substrate surface, as this 1 to 3.
  • the present invention is based on the object to provide an improved temperature sensor and a method for its production, in which the requirements for increasing miniaturization and simultaneously increasing the nominal resistance values can be met, while ensuring a good Anlagenrobe ist and avoiding too fine web widths in the production of the resistance structure.
  • the present invention provides a temperature sensor with:
  • a sensor structure disposed on a first surface of the substrate, the sensor structure comprising a first end and a second end;
  • a first and a second contact surface which are arranged on the insulating layer and are conductively connected to the ers ⁇ th end and the second end of the sensor structure;
  • the sensor structure (12) substantially completely covers the first surface of the substrate (10).
  • the insulating layer comprises first and second openings filled with conductive material, the conductive material covering both the two ends of the Sensor structure as well as the corresponding contact surfaces contacted.
  • a third and a fourth contact surface is provided on the surface of the substrate, the gerin ⁇ have smaller dimensions than the first and the second contact surface, wherein the third and the fourth Kunststoffflä ⁇ che are connected to the first and second end of the sensor structure.
  • the thickness of the insulating layer is preferably in the range between 0.01 mm (10 ⁇ m) and 0.2 mm. If the insulating layer is e.g. evaporated, the thickness may be thinner, e.g. in the range of 1 ⁇ m.
  • the sensor structure preferably comprises a metal film, e.g. In meandering form, with a thickness e.g. between 0.1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the insulating layer is preferably formed by a glaze, a glass ceramic, a ceramic or a combination thereof.
  • the temperature sensor additionally comprises first and second connecting wires, which are fastened to the corresponding first and second contact surfaces.
  • the present invention further provides a method of manufacturing a temperature sensor, comprising the steps of:
  • the step of forming the insulating layer comprises forming the same having first and second open areas corresponding to the position of the two
  • Contact surfaces preferably comprise the application of a conductive paste or a conductive material, wherein the application of the conductive material also includes a filling of the two open regions in the insulation layer.
  • the method additionally comprises the step of applying two connecting wires to the corresponding contact surfaces, wherein it may additionally be provided to apply a glaze to the sections of the connecting wires fixed to the contact surfaces.
  • the present invention thus provides a temperature sensor and a method for the production thereof, wherein the space requirement in the contact zones in the film plane, ie in the plane in which the sensor structure is formed, is minimized, so that at the same time more area for the Resistor structures is available or the sensor structure covers the first surface of the substrate essentially completely, with the same chip size.
  • FIG. 1 shows a conventional temperature sensor in thin-film technology after a first production step, wherein FIG. 1A shows a plan view and FIG. 1B shows a side view; 2 shows a plan view of the temperature sensor shown in FIG. 1 after a further production step, FIG. 2A showing a plan view and FIG. 2B a side view;
  • Fig. 3 is an illustration of a temperature sensor of the SMD type, wherein Fig. 3A is a plan view and Fig. 3B is a side view;
  • FIG. 4 shows an illustration of a first exemplary embodiment of the temperature sensor according to the invention after a first production step
  • Fig. 4A is a plan view and Fig. 4B is a side view;
  • FIG. 5 shows a representation of the temperature sensor from FIG. 4 after a further production step, wherein FIG. 5A shows a plan view and FIG. 5B shows a side view;
  • FIG. 6 shows an illustration of the temperature sensor from FIG. 5 after a further production step, wherein FIG. 6A shows a plan view and FIG. 6B shows a side view; and
  • Fig. 7 shows a temperature sensor according to another embodiment of the present invention of the SMD type, wherein Fig. 7A shows a plan view and Fig. 7B shows a side view.
  • FIGs. 4 to 6 is referred to exporting a first ⁇ approximately example of the method for manufacturing len of a temperature sensor and a first amongs ⁇ example of the temperature sensor produced tert erläu ⁇ tert.
  • the figure parts A each show a plan view of the temperature sensor and the figure parts B each show a side view.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of the temperature sensor according to the present invention after a first production step.
  • the temperature sensor comprises the substrate 10, on the first surface of which a resistance film 12 is formed having a first end 12a and a second end 12b.
  • the resistance structure 12 is formed such that it covers substantially the entire upper surface of the substrate 10, and only subsequent to the ends 12a and 12b of the resistance structure are small contact areas 26, 28 intended.
  • an insulation layer 30 is applied to the resistance track 12 in such a way that the entire first surface of the substrate 10 and the resistance structure 12 are covered.
  • two openings 32a, 32b are arranged at positions which correspond to the positions of the small contact surfaces 26, 28 in the resistance element plane, ie on the first surface of the substrate 10.
  • the first Kon ⁇ clock face 14 is disposed the second contact surface 16, wherein also the conductive material in the openings 32a, is introduced 32b to contacting the Mixflä ⁇ chen 14 and 16 with the small pads 26 and 28 in the resistance element level via a conductive Verbin ⁇ tion 34 in the openings to ensure.
  • 20 can be provided, connecting wires 18, to the Mixflä ⁇ surfaces 14, 16 to be attached, and further may be provided additionally to provide a glaze for fixing the connecting wires (not shown).
  • Fig. 7 shows the application of the approach according to the invention to temperature sensors of the SMD type.
  • the ends of the resistor track 12 are connected via the small connection surfaces 26, 28 via the conductive connections 34a, 34b in the insulation layer 30 to the large-area contact surfaces 14, 16 formed on the insulation layer 30.
  • the entire surface of the substrate 10 for the resistance meander 12.
  • Only two very small contact surfaces 26, 28 are provided in the preferred exemplary embodiments for a continuation of the contacts in a plane lying above the resistance meander.
  • the small contact surfaces 26, 28 have, for example, Abmes ⁇ solutions of 0.1 mm to 0.3 mm, and the large contact surfaces 14, 16 for example, have dimensions of 1 'mm to 3 mm.
  • For square contact surfaces thus results in an area ratio between the large contact surfaces 14, 16 and the small contact surfaces 26, 28 of about 100. This means that unlike in the prior art only 1/100 of the surface on the substrate surface for Kon ⁇ is needed.
  • the resistance meander 12 is in this case coated surface with any suitable dielectric layer 30, z.
  • the openings 32a, 32b, the comparatively very small contact surfaces 26, 28 remain free, so are not covered by the insulating layer 30.
  • This insulation layer or dielectric layer 30 is dimensioned so that the same is of sufficient thickness and impermeability to the metallization applied over approximately ⁇ layer for the contact surfaces 14, having 16, unlike in the prior art, is applied in the plane above the dielectric layer 30.
  • the Metallisie ⁇ tion 14, 16 may, for. B. by screen printing or other suitable method, eg. As electrochemical deposition, be applied in the form of any contact surfaces.
  • a conductive material 34, 34a, 34b is introduced into the openings 32a, 32b in the insulation layer 30, for example by filling the openings with a metal paste so as to form a conductive connection between the contact surfaces to ensure the level of the resistance meander and in the plane above the insulation layer.
  • Both the dielectric layer and the overlying metallization 14, 16 can be applied by means of thick-film processes (screen printing plus stoving of the pastes) or else by other technologies (eg vapor deposition), depending on the particular application Neten process.
  • any suitable insulating material may be used in the dielectric layers, e.g. B. dive ⁇ melting glazes, glass ceramic, ceramic, z. B. auf ⁇ steamed Al 2 O 3 , or combinations of these layers, for. B. an Al 2 O 3 layer plus glaze.
  • the thickness of the insulating layer depends on the application of the temperature sensor and is in the range of micrometers to about 0.2 mm.
  • the metallization 14, 16 may, for. As by gold, platinum, silver, nickel, copper or suitable alloys, eg. Ag / Pt, Ag / Pd, Au / Pt, etc., or combinations, e.g. As Ag / Pt plus Au, etc., are used in layers of less than 1 micron to several 100 microns.
  • wiring can, SMD design, such as clock cycle zones for elements with conventional con ⁇ be performed.
  • SMD design such as clock cycle zones for elements with conventional con ⁇ be performed.
  • the shape and size of the Metalltechnischesan gleichflachen 14, 16 in the lying above the dielectric layer 30 may be arbitrary and are not limited to the embodiments described above.
  • the present invention is advantageous, since a higher yield can be achieved here, in addition to an improved mechanical and electrical contacting due to the improved and enlarged contact zones.

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Temperaturfühlers wird zunächst ein Substrat (10) bereitgestellt, auf dessen erster Oberfläche eine Sensorstruktur (12) mit einem ersten Ende (12A) und einem zweiten Ende (12B), angeordnet ist, wobei die Sensorstruktur (12) die erste Oberfläche des Substrats (10) im wesentlichen vollständig bedeckt. Anschliessend wird auf dieser Sensorstruktur (12) zumindest teilweise eine Isolationsschicht gebildet, auf der dann eine erste und eine zweite Kontaktfläche gebildet werden. Die erste und die zweite Kontaktfläche werden derart gebildet, dass dieselben mit dem ersten Ende bzw. dem zweiten Ende der Sensorstruktur (12) leitfähig verbunden sind.

Description

Temperaturfühler und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tempera¬ turfühler und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung, und hier insbesondere auf einen Temperaturfühler, vorzugsweise einem Platintemperaturfühler, mit platzsparenden Kontaktan- Schlüssen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Temperaturfühlers.
Platintemperaturfühler in Dünnschichttechnik werden seit Jahren in unterschiedlichen Ausführungsformen hergestellt.
Die DE 4445243 C2 beschreibt einen Temperaturfühler . mit
■ einem Keramiksubstrat, einem Widerstandsfühler, der im
Keramiksubstrat eingebettet ist und der einen positiven
Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, zwei ersten Leitungen, die am Widerstandsfühler angeschlossen sind und der Stromzuführung dienen, zwei zweiten Leitungen, die mit dem Widerstandsfühler verbunden sind, wobei der Spannungs¬ abfall am Widerstandsfühler mittels der zwei zweiten Lei¬ tungen erfasst werden können, und einen Spannungsteiler- Widerstand, der zwischen die zwei zweiten Leitungen und parallel zum Widerstandsfühler geschaltet ist, wobei die Ausgangssignalspannung des Temperaturfühlers als Teilspan¬ nung des Spannungsteiler-Widerstandes vorliegt, und wobei ferner zwei Anschlussflächen auf der Oberfläche des Kera- miksubstrats angeordnet und mit einer der zwei zweiten Leitungen bzw. dem Spannungsteiler-Widerstand verbunden ist.
Die DE 10232380 Al beschreibt einen Sensor mit Drahtverbin- düng und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit Drahtverbindung, wobei der Sensor eine erste Isolations¬ schicht, eine zweite Isolationsschicht mit einer Öffnung, eine Vielzahl von Metallleiterbahnen und eine Vielzahl von Elektroden aufweist,, wobei jede Metallleiterbahn einen Kontaktbereich umfasst und zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht angeordnet ist, und wobei ferner jede Elektrode einen Verbindungsbereich umfasst, der ge- trennt von dem Kontaktbereich angeordnet ist und wobei ferner die Elektroden durch die Öffnungen in elektrischer Verbindung mit den Kontaktbereichen stehen.
Die DE 3733192 Cl beschreibt einen PTC-Temperaturfühler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines PTC- Temperaturfühlerelements für den PTC-Temperaturfühler, wobei der PTC-Temperaturfühler zwei Keramikfolien aufweist und derart ausgestaltet ist, dass die PTC-Widerstandsbahn hermetisch gegenüber dem Messgas und der Umgebungsluft abgekapselt ist und wobei ferner die PTC-Widerstandsbahn durch zwei gestanzte Durchkontaktierungslöcher mit den Kontaktflächen auf der anderen Seite der Folie verbunden ist.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird nachfolgend ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Platinsensors gemäß einem Ansatz, wie er im Stand der Technik bekannt ist, näher erläutert. In Fig. 1 und 2 zeigen die Figurenteile A je¬ weils Draufsichten des Temperatursensors und die Figuren- teile B zeigen jeweils Seitenansichten. Solche Sensoren sind in DE 10020932 Cl bekannt.
Bei dem herkömmlichen Ansatz, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird auf einem Substrat 10 eine Sensorstruktur 12, vorzugs- weise eine mäanderförmige Platinwiderstandsbahn, aufge¬ bracht. Die Widerstandsbahn 12 hat ein erstes Ende 12a und ein zweites Ende 12b. Ferner sind auf dem Substrat 10 eine erste Kontaktfläche 14 und eine zweite Kontaktfläche 16 angeordnet, wobei die erste Kontaktfläche 14 mit dem ersten Ende 12a der Widerstandsbahn 12 verbunden ist und wobei die zweite Kontaktfläche 16 mit dem zweiten Ende 12b der Wider¬ standsbahn 12 verbunden ist. Zur Fertigstellung des Temperaturfühlers wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, ein erster Anschlussdraht 18 an der ersten Kontaktfläche 14 und ein zweiter Anschlussdraht 20 an der zweiten Kontaktfläche 16 befestigt. Ferner wird vorzugswei- se eine Schutzschicht 22 über der Widerstandsbahn 12 (siehe Fig. 2B) aufgebracht. Die Anschlussdrähte 18, 20 werden weiterhin vorzugsweise mittels einer Glasur 24, die auch teilweise die Abdeckung 22 überdeckt, zusätzlich fixiert.
Fig. 3 zeigt ebenfalls einen herkömmlichen Temperaturfüh¬ ler, bei dem das Temperaturfühlerelement vom SMD-Typ ist. Anders als bei dem anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist hier die Widerstandsbahn 12 derart auf dem Substrat 10 angeordnet, dass die jeweiligen Enden 12a und 12b der Widerstandsbahn 12 benachbart zu entgegen¬ gesetzten Enden des Substrats 10 angeordnet sind, an denen auch die Kontaktflächen 14 und 16 angeordnet sind. Ähnlich wie in Fig. 1 und 2 kann auch hier vorgesehen sein, die Widerstandsbahn 12 durch eine Schutzschicht 22 abzudecken (siehe Fig. 3B) .
Die anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Temperaturfühler werden seit Jahren, wie erwähnt, in unterschiedlichen Ausführungsformen hergestellt und für präzise Temperatur- messaufgaben eingesetzt. Der typische Aufbau dieser Sensor¬ elemente, wie er anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, umfasst ein Al2θ3-Keramiksubstrat 10, auf dem ein Platin¬ film 12 von ca. 1 μm Dicke aufgebracht ist. Der Platinfilm ist ferner so strukturiert, dass die Widerstandsbahn z. B. einen Widerstand in der Größenordnung von 100 Ohm aufweist. Diese Platinwiderstandsbahn 12 wird üblicherweise durch die Schutzschicht 22 (z. B. eine Glasurschicht) geschützt. An die beiden Kontaktflächen 14, 16 werden in der Regel, außer bei SMD-Typen, die Anschlussdrähte 18, 20 angeschweißt, welche zusätzlich mit dem Glasurtropf 24 versehen werden, um eine mechanische Belastung der Anschlussdrähte 18, 20 bei der Weiterverarbeitung zuzulassen. Seit Jahren ist im Stand der Technik eine Tendenz festzu¬ stellen, dass die anhand der Fig. 1 und 2 beispielhaft beschriebenen Dünnfilmsensorelemente immer kleiner werden, z. B. eine Breite von 1 mm, eine Länge von 1,5 mm und eine Höhe von 0,8 mm aufweisen oder sogar noch kleiner sind. Dies geht einher mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Nennwiderstandswerte, z. B. auf 1.000 Ohm oder noch höher.
In den bisher bekannten Ausführungsformen ist hierbei sowohl die Widerstandsstruktur als auch die Kontaktzone für das Anbringen von Anschlussdrähten bzw. bei SMD- Bauelementen " oder SMD-ähnlichen Ausführungsformen die Kontaktzone bzw. die Kontaktpads in der gleichen Ebene angeordnet, nämlich auf der Substratoberfläche, wie dies aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist. Mit der zunehmenden Miniaturisierung und der gleichzeitig steigenden Anforde¬ rungen, einen hohen Nennwiderstandswert zu schaffen, müssen immer feinere Strukturen (Widerstandsbahnen) erzeugt wer¬ den, wobei für die beiden Kontaktflächen stets ein gewisser Flächenanteil reserviert sein muss. Diese Kontaktflächen 14, 16 können bei vergleichsweise kurzen Elementen deutlich mehr als 50 % der Gesamtfläche der Oberfläche des Substrats 10 beanspruchen, da beispielsweise die Drahtauflage auf dem Chip aus Gründen der mechanischen Festigkeit nicht beliebig kurz werden kann. Dieser Flächenanteil fehlt für die Wider¬ standsstruktur und muss deshalb durch sehr feine Bahnen, d. h. geringe Bahnbreiten7 kompensiert werden, da die Dicke des verwendeten Platinfilms bzw. des verwendeten Metall¬ films nicht beliebig dünn hergestellt werden kann.
Bei sehr feinen Bahnbreiten, beispielsweise von weniger als 5 μm, wird die Strukturierung jedoch immer schwieriger, da sich hier immer mehr auch die Planheit der Substrate oder andere Störeffekte (z. B. feinster Sträub trotz Reinraum, geringste Schwankungen im Photorestistprozess) mehr und mehr negativ auswirken und zu einer geringeren Ausbeute führen. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Temperaturfühler und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei denen die Anforderungen nach zunehmender Miniaturisierung und gleichzeitiger Erhöhung der Nennwider- standswerte erfüllt werden können, bei gleichzeitiger Sicherstellung einer guten Anschlusskontaktierung und einer Vermeidung von zu feinen Bahnbreiten bei der Herstellung der Widerstandsstruktur.
Diese Aufgabe wird durch einen Temperaturfühler gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Temperaturfühler mit:
einem Substrat;
einer Sensorstruktur, die auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die Sensorstruktur ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst;
einer Isolationsschicht, die zumindest teilweise auf der Sensorstruktur angeordnet ist; und
einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche, die auf der Isolationsschicht angeordnet sind und mit dem ers¬ ten Ende bzw. dem zweiten Ende der Sensorstruktur leit- fähig verbunden sind;
wobei die Sensorstruktur (12) die erste Oberfläche des Substrats (10) im wesentlichen vollständig bedeckt.
Vorzugsweise umfaßt die Isolationsschicht eine erste und eine zweite mit leitfähigem Material gefüllte Öffnung, wobei das leitfähige Material sowohl die zwei Enden der Sensorstruktur als auch die entsprechenden Kontaktflächen kontaktiert.
Vorzugsweise ist auf der Oberfläche des Substrats eine dritte und eine vierte Kontaktfläche vorgesehen, die gerin¬ gere Abmessungen aufweisen als die erste und die zweite Kontaktfläche, wobei die dritte und die vierte Kontaktflä¬ che mit dem ersten bzw. zweiten Ende der Sensorstruktur verbunden sind. Die Dicke der Isolationsschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,01 mm (10 μm) und 0,2 mm. Wird die Isolationsschicht z.B. aufgedampft, so kann die Dicke dünner sein, z.B. im Bereich von 1 μm. Die Sensorstruktur umfasst vorzugsweise einen Metallfilm, z. B. in Mäanderform, mit einer Dicke z.B. zwischen 0,1 μm und 3 μm. Die Isolationsschicht ist vorzugsweise durch eine Glasur, eine Glaskeramik, eine Keramik oder eine Kombinati¬ on derselben gebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Tempe- raturfühler zusätzlich erste und zweite Anschlussdrähte, die auf den entsprechenden ersten und zweiten Kontaktflä¬ chen befestigt sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Temperaturfühlers mit folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen eines Substrats, auf dessen erster Oberfläche eine Sensorstruktur mit einem ersten und mit einem zweiten Ende angeordnet ist, wobei die Sen- sorstruktur die erste Oberfläche des Substrats im we¬ sentlichen vollständig bedeckt;
(b) Bilden einer Isolationsschicht zumindest teilweise auf der Sensorstruktur; und
(c) Bilden einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche auf der Isolationsschicht, derart, dass dieselben mit dem ersten Ende bzw. dem zweiten Ende der Sensorstruk¬ tur leitfähig verbunden ist.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bildens der Isolati- onsschicht das Bilden derselben mit einem ersten und einem zweiten offenen Bereich, entsprechend der Position der zwei
Enden der Sensorstruktur auf dem Substrat. Das Bilden der
Kontaktflächen umfasst vorzugsweise das Aufbringen einer leitfähigen Paste bzw. eines leitfähigen Materials, wobei das Aufbringen des leitfähigen Materials auch ein Füllen der zwei offenen Bereiche in der Isolationsschicht umfasst.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel um¬ fasst das Verfahren zusätzlich den Schritt des Aufbringens von zwei Anschlussdrähten an den entsprechenden Kontaktflä¬ chen, wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, eine Glasur auf die an den Kontaktflächen befestigten Abschnitte der Anschlussdrähte aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Temperatur¬ fühler und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei der Platzbedarf in den Kontaktzonen in der Filmebene, also in der Ebene, in der die Sensorstruktur gebildet wird, mini¬ miert wird, so dass gleichzeitig mehr Fläche für die Wider- Standsstrukturen verfügbar ist bzw. die Sensorstruktur die erste Oberfläche des Substrats im wesentlichen vollständig bedeckt, bei gleicher Chipgröße.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen Temperatursensor in Dünnfilm¬ technik nach einem ersten Herstellungsschritt, wobei Fig. IA eine Draufsicht zeigt und Fig. IB eine Seitenansicht zeigt; Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Temperaturfühler nach einem weiteren Herstel¬ lungsschritt, wobei Fig. 2A eine Draufsicht und Fig. 2B eine Seitenansicht zeigt;
Fig. 3 eine Darstellung eines Temperaturfühlers vom SMD- Typ, wobei Fig. 3A eine Draufsicht und Fig. 3B eine Seitenansicht zeigt;
Fig. 4 eine Darstellung eines ersten Ausführungsbei- spiels für den erfindungsgemäßen Temperatursensor nach einem ersten Herstellungsschritt, wobei Fig.
4A eine Draufsicht und Fig. 4B eine Seitenansicht zeigt;
Fig. 5 eine Darstellung des Temperaturfühlers aus Fig. 4 nach einem weiteren Herstellungsschritt, wobei Fig. 5A eine Draufsicht und Fig. 5B eine Seiten¬ ansicht zeigt;
Fig. 6 eine Darstellung des Temperaturfühlers aus Fig. 5 nach einem weiteren Herstellungsschritt, wobei Fig. 6A eine Draufsicht und Fig. 6B eine Seiten¬ ansicht zeigt; und
Fig. 7 einen Temperaturfühler gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vom SMD-Typ, wobei Fig. 7A eine Draufsicht und Fig. 7B eine Seitenansicht zeigt.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispiele werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei die bereits anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Elemente, die sich auch in den Fig. 5 bis 7 wiederfinden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Anhand der Fig. 4 bis 6 wird nachfolgend ein erstes Ausfüh¬ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstel- len eines Temperaturfühlers sowie ein erstes Ausführungs¬ beispiel des hergestellten Temperaturfühlers näher erläu¬ tert. Die Figurenteile A zeigen jeweils eine Draufsichtdar¬ stellung der Temperaturfühler und die Figurenteile B zeigen jeweils eine Seitenansicht.
In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Tempera¬ turfühlers gemäß der vorliegenden Erfindung nach einem ersten Herstellungsschritt gezeigt. Der Temperaturfühler umfasst das Substrat 10, auf dessen erster Oberfläche ein Widerstandsfilm 12 gebildet ist, der ein erstes Ende 12a und ein zweites Ende 12b aufweist. Wie aus Fig. 4A zu erkennen ist, ist die Widerstandsstruktur 12 derart gebil¬ det, dass diese im wesentlichen die gesamte obere Oberflä- che des Substrats 10 bedeckt, und lediglich anschließend an die Enden 12a und 12b der Widerstandsstruktur sind kleine Kontaktflächen 26, 28 vorgesehen.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird bei dem beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Isola¬ tionsschicht 30 auf die Widerstandsbahn 12 derart aufge¬ bracht, dass die gesamte erste Oberfläche des Substrats 10 sowie die Widerstandsstruktur 12 bedeckt ist. In der Isola¬ tionsschicht 30 sind zwei Öffnungen 32a, 32b an Positionen angeordnet, die den Positionen der kleinen Kontaktflächen 26, 28 in der Widerstandselementebene, also auf der ersten Oberfläche des Substrats 10, entsprechen.
In einem nachfolgenden Schritt wird, wie in Fig. 6 zu erkennen ist, auf der Isolationsschicht 30 die erste Kon¬ taktfläche 14 und die zweite Kontaktfläche 16 angeordnet, wobei ebenfalls leitfähiges Material in die Öffnungen 32a, 32b eingebracht wird, um eine Kontaktierung der Kontaktflä¬ chen 14 bzw. 16 mit den kleinen Anschlussflächen 26 bzw. 28 in der Widerstandselementebene über eine leitfähige Verbin¬ dung 34 in den Öffnungen sicherzustellen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, Anschlussdrähte 18, 20 an den Kontaktflä¬ chen 14, 16 zu befestigen, und ferner kann vorgesehen sein, zusätzlich eine Glasur zur Fixierung der Anschlussdrähte vorzusehen (nicht gezeigt) .
Fig. 7 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes auf Temperaturfühler vom SMD-Typ. Auch hier werden über kleine Anschlussflächen 26, 28 die Enden der Widerstands¬ bahn 12 über die leitfähigen Verbindungen 34a, 34b in der Isolationsschicht 30 mit den auf der Isolationsschicht 30 gebildeten, großflächigen Kontaktflächen 14, 16 verbunden.
Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, die gesamte Fläche des Substrats 10 für das Widerstandsmäander 12 zu verwenden. Lediglich zwei sehr kleine Kontaktflächen 26, 28 (deutlich kleiner als die Abmessung der im Stand der Technik verwen- deten Kontaktflächen) sind bei den bevorzugten Ausführungs¬ beispielen für eine Fortführung der Kontakte in einer über dem Widerstandsmäander liegenden Ebene vorgesehen. Die kleinen Kontaktflächen 26, 28 haben beispielsweise Abmes¬ sungen von 0,1 mm bis 0,3 mm, und die großen Kontaktflächen 14, 16 haben beispielsweise Abmessungen von 1' mm bis 3 mm. Bei quadratischen Kontaktflächen ergibt sich somit ein Flächenverhältnis zwischen den großen Kontaktflächen 14, 16 und den kleinen Kontaktflächen 26, 28 von etwa 100. Dies bedeutet, das anders als im Stand der Technik nur noch 1/100 der Fläche auf der Substratoberfläche für die Kon¬ taktflächen benötigt wird.
Das Widerstandsmäander 12 wird hierbei flächig mit einer beliebigen, geeigneten Dielektrikumsschicht 30 beschichtet, z. B. einer geeigneten hochschmelzenden Glasur im Sieb¬ druckverfahren. Über die Öffnungen 32a, 32b bleiben die vergleichsweise sehr kleinen Kontaktflächen 26, 28 frei, werden also nicht durch die Isolationsschicht 30 bedeckt.
Diese Isolationsschicht bzw. Dielektrikumsschicht 30 ist so dimensioniert, dass dieselbe eine ausreichende Dicke und Dichtigkeit gegen die darüber aufzubringende Metallisie¬ rungsschicht für die Kontaktflächen 14, 16 aufweist, die, anders als im Stand der Technik, in der Ebene über der Dielektrikumsschicht 30 aufgebracht wird. Die Metallisie¬ rung 14, 16 kann z. B. durch Siebdruck oder ein anderes geeignetes Verfahren, z. B. elektrochemische Abscheidung, in Form beliebiger Kontaktflächen aufgebracht werden. Vor dem Aufbringen der Kontaktfläche 14 bzw. 16 wird ein leit¬ fähiges Material 34, 34a, 34b in die Öffnungen 32a, 32b in der Isolationsschicht 30 eingebracht, beispielsweise durch Auffüllen der Öffnungen mit einer Metallpaste, um so eine leitende Verbindung zwischen den Kontaktflächen in der Ebene des Widerstandsmäanders und in der Ebene oberhalb der IsolationsSchicht sicherzustellen.
Sowohl die Dielektrikumsschicht als auch die darüber lie- gende Metallisierung 14, 16 können mittels Dickschichtpro¬ zessen (Siebdruck plus Einbrennen der Pasten) oder auch durch andere Technologien (z. B. Bedampfen) aufgebracht werden, abhängig von dem für die jeweilige Anwendung geeig¬ neten Prozess.
Als Material kann bei den Dielektrikumsschichten jedes geeignete Isolationsmaterial verwendet werden, z. B. hoch¬ schmelzende Glasuren, Glaskeramik, Keramik, z. B. aufge¬ dampftes Al2O3, oder auch Kombinationen dieser Schichten, z. B. eine Al2O3-Schicht plus Glasur. Die Dicke der Isola¬ tionsschicht hängt von der Anwendung des Temperaturfühlers ab und liegt im Bereich von Mikrometern bis etwa 0,2 mm.
Die Metallisierung 14, 16 kann z. B. durch Gold, Platin, Silber, Nickel, Kupfer oder geeignete Legierungen, z. B. Ag/Pt, Ag/Pd, Au/Pt etc. oder Kombinationen, z. B. Ag/Pt plus Au etc., in Schichten von unter 1 μm bis zu mehreren 100 μm verwendet werden.
Nach Durchführung dieser Prozessschritte können weitere Herstellungsprozessschritte der Bauelemente, Verdrahtung, SMD-Ausführung, wie bei Elementen mit herkömmlichen Kon¬ taktzonen durchgeführt werden. Die Form und die Größe der Metallisierungsanschlussflachen 14, 16 in der über dem Dielektrikum 30 liegenden Ebene können beliebig gestaltet werden und sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Wie die obige Erläuterung zeigt, ist die vorliegende Erfin¬ dung vorteilhaft, da hier eine höhere Ausbeute erreicht werden kann, zusätzlich zu einer verbesserten mechanischen und elektrischen Kontaktierung aufgrund der verbesserten und vergrößerten Kontaktzonen.

Claims

Patentansprüche
1. Temperaturfühler mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (10);
einer Sensorstruktur (12), die auf einer ersten Ober¬ fläche des Substrats (10) angeordnet ist, wobei die Sensorstruktur (12) ein erstes Ende (12a) und ein zweites Ende (12b) umfasst;
einer Isolationsschicht (30) , die zumindest teilweise auf der Sensorstruktur (12) angeordnet ist; und
einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche (14, 16), die auf der Isolationsschicht (30) angeordnet sind und mit dem ersten Ende (12a) bzw. dem zweiten Ende (12b) der Sensorstruktur (12) leitfähig verbunden sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensorstruktur (12) die erste Oberfläche des Sub¬ strats (10) im wesentlichen vollständig bedeckt.
2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, bei dem die Isolati¬ onsschicht (30) eine erste und eine zweite mit leitfä¬ higem Material (34; 34a, 34b) gefüllte Öffnung (32a, 32b) umfasst, wobei das leitfähige Material (34; 34a, 34b) mit dem ersten Ende (12a) und dem zweiten Ende (12b) der Sensorstruktur (12) und mit der ersten Kon¬ taktfläche (14) und der zweiten Kontaktfläche (16) in Kontakt ist.
3. Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, mit
einer dritten und einer vierten Kontaktfläche (26, 28), die auf der ersten Oberfläche des Substrats (10) angeordnet sind und mit dem ersten bzw. zweiten Ende (12a, 12b) der Sensorstruktur (12) und mit der ersten bzw. der zweiten Kontaktfläche (14, 16) auf der Isola¬ tionsschicht (30) in Verbindung sind, wobei die dritte und die vierte Kontaktfläche (26, 28) eine Abmessung aufweisen, die kleiner ist als die Abmessung der ers¬ ten und der zweiten Kontaktfläche (14, 16) .
4. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Isolationsschicht (30) eine Dicke zwischen
1 μm und 0,2 mm aufweist.
5. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Sensorstruktur (12) einen Metallfilm mit einer Dicke zwischen 0,1 μm und 3 μm umfasst.
6. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Isolationsschicht eine Glasur, eine Glaskera¬ mik, eine Keramik und Kombinationen derselben umfasst.
7. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit
einem ersten und einem zweiten Anschlussdraht (18, 20) , die auf der ersten bzw. zweiten Kontaktfläche (14, 16) befestigt sind.
8. Verfahren zum Herstellen eines Temperaturfühlers mit folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen eines Substrats (10), auf dessen erster Oberfläche eine Sensorstruktur (12) mit einem ersten Ende (12a) und einem zweiten Ende (12b) angeordnet ist, wobei die Sensorstruktur (12) die erste Oberfläche des Substrats (10) im wesentlichen vollständig bedeckt;
(b) Bilden einer Isolationsschicht (30) zumindest teilweise auf der Sensorstruktur (12); und (c) Bilden einer ersten und einer zweiten Kontaktflä¬ che (14, 16) auf der Isolationsschicht (30), der¬ art, dass dieselben mit dem ersten Ende (12a) bzw. dem zweiten Ende (12b) der Sensorstruktur
(12) leitfähig verbunden sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem im Schritt (b) die Isolationsschicht (30) mit einem ersten und einem zweiten offenen Bereich (32a, 32b) , entsprechend der Position des ersten bzw. zweiten Endes (12a, 12b) der Sensorstruktur (12) , gebildet wird, und bei dem im Schritt (c) die erste und zweite Kontaktfläche (14, 16) durch Aufbringen eines leitfähigen Materials ge- bildet werden, wobei das Aufbringen des leitfähigen Materials ein Füllen des ersten und des zweiten offe¬ nen Bereichs (32a, 32b) der Isolationsschicht mit ei¬ nem leitfähigen Material (34; 34a, 34b) umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Isolati¬ onsschicht (30) eine Dicke zwischen 1 μm und 0,2 mm aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Isolationsschicht (30) eine Glasur, eine Glaskera¬ mik, eine Keramik und Kombinationen derselben umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 mit fol¬ gendem Schritt nach dem Schritt (c) :
(d) Befestigen eines ersten und eines zweiten An¬ schlussdrahts (18, 20) an der ersten bzw. zweiten Kontaktfläche (14, 16).
13. Verfahren gemäß Anspruch 12 mit folgendem Schritt nach dem Schritt (d) : (e) Aufbringen einer Glasur (24), die die an der ers¬ ten und zweiten Kontaktfläche (14, 16) befestig¬ ten Abschnitte der Anschlussdrähte (18, 20) zu¬ mindest teilweise bedeckt.
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